Баева В.Д

План

ТЕМА 4. ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ, ИХ РАЗНООБРАЗИЕ И БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

ЛЕКЦИЯ 2. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ, АТФ, БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА

I. Общие сведения о строении нуклеиновых кислот.

II. РНК

III. ДНК

IV. АТФ

V. Биологически активные вещества.

I. Нуклеиновые кислоты – сложные высокомолекулярные биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды (от 200 до 200 млн.) Вначале нуклеиновые кислоты обнаружили в ядре клеток, откуда и происходит название этих соединений (от лат. нуклеус – ядро). Но позже эти вещества нашли и в других частях клетки.

Молекула нуклеотида состоит из трех частей: остатков азотистого основания, пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и фосфорной кислоты. В зависимости от вида пентозы в составе нуклеотида различают два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновую (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). В состав ДНК входит остаток дезоксирибозы, а РНК – рибозы.

В состав нуклеотидов ДНК входят остатки следующих азотистых оснований: аденин (сокращенно обозначается буквой А), тимин (Т), гуанин (Г), цитозин (Ц). В состав РНК вместо тимина входит уроцил.

II. Молекулы РНК клеток прокариот и эукариот состоят из одной цепи Существуют три основных типа РНК:

1. Информационная, или матричная, РНК (иРНК, или мРНК) представляет собой копию определенного участка молекулы ДНК. Такая молекула переносит наследственную информацию от ДНК к месту синтеза полипептидной цепи, а также непосредственно участвует в ее сборке.

2. Транспортная РНК (тРНК) имеет наименьшие размеры среди всех РНК (70–90 нуклеотидов). Количество видов тРНК соответствует количеству видов аминокислот. тРНК определенного вида присоединяет к себе определенную аминокислоту и транспортирует ее к месту синтеза белка. Там комплекс тРНК она «узнает» соответствующий участок иРНК, состоящий из 3 нуклеотидов, кодирующий данную аминокислоту (кодон), после чего подсоединяет принесенную аминокислоту к полипептидной цепочке, а сама удаляется за новой. Таким образом, тРНК и иРНК принимают непосредстенное участие в процессе матричного биосинтеза белка (будет подробнее рассмотрен в соответствующем разделе).

3. Рибосомальная РНК (рРНК) входит в состав особых органелл клетки – рибосом. Вместе с белками она выполняет структурную функцию, обеспечивая определенное пространственное расположение иРНК и тРНК во время биосинтеза белковой молекулы. Кроме того, участвуя в образовании пептидных связей молекулы синтезируемого белка, рРНК выполняет также каталитическую функцию, являясь так называемым рибозимом (ферментом небелковой природы). В клетках эукариот рРНК синтезируется в ядрышке.

Молекулы РНК в клетки находятся как в ядре, так и в цитоплазме, в различных органоидах.

III. Молекулы ДНК в клетках эукариот находятся в ядре, пластидах и митохондриях. Расшифровка структуры ДНК имеет свою историю. В 1950 году Эрвин Чаргафф и его коллеги обнаружили такие количественные закономерности содержания азотистых оснований в молекуле ДНК (правила Чаргаффа):

1) количество нуклеотидов, содержащих аденин в любой молекуле ДНК, равно числу нуклеотидов, содержащих тимин (А = Т), а число нуклеотидов с гуанином – числу нуклеотидов с цитозином (Г = Ц);

2) сумма нуклеотидов с аденином и гуанином равна сумме нуклеотидов с тимином и цитозином (А+Г = Т+Ц).

Это открытие способствовало установлению Уотсоном и Криком в 50-х годах ХХ века пространственной структуры молекулы ДНК.

Молекула ДНК состоит из двух цепей нуклеотидов, которые соединены между собой с помощью водородных связей. Эти связи возникают между двумя нуклеотидами, которые как бы дополняют друг друга по размерам. Установлено, что остаток аденина (А) нуклеотида одной цепи молекулы ДНК всегда соединяется с остатком тимина (Т) нуклеотида другой цепи (между ними возникают две водородные связи), а гуанина (Г) – с цитозином (Ц) (между ними возникают три водородные связи). Это четкое соответствие нуклеотидов в двух цепях ДНК имеет название комплементарность.

При этом отдельные нуклеотиды соединены между собой в цепь за счет особой ковалентных связей, образующихся между остатком углевода одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого. Определенная последовательность остатков нуклеотидов, расположенных в виде двойной цепи, - первичная структура ДНК.

Две цепи нуклеотидов обвивают друг друга, создавая закрученную вправо спираль диаметром приблизительно 2 нанометра – вторичная структура ДНК.

Молекулы ДНК в клетке образуют компактные структуры. Например, длина ДНК наибольшей хромосомы чело века составляет 8 см, но она свернута таким образом, что вмещается в хромосоме длиной всего 5 мкм. Это происходит благодаря тому, что двойная спираль ДНК пространственно уплотняется, формируя третичную структуру – суперспираль. Такое строение характерно для ДНК хромосом эукариот и обусловлено взаимодействием между ДНК и ядерными белками. В клетках прокариот молекула ДНК не вступает в комплекс с белками и имеет форму кольца.

Свойства ДНК. Подобно белкам, под действием определенных факторов молекулы ДНК способны к денатурации, ренатурации и деструкции. Важное свойство молекул ДНК – их способность к самоудвоению - репликации. Оно основывается на принципе комплементарности: последовательность нуклеотидов во вновь созданной цепи определяется их расположением в цепи материнской молекулы ДНК, которая служит матрицей.

Репликация ДНК – полуконсервативный процесс, то есть две дочерние молекулы ДНК содержат по одной цепи, унаследованной от материнской.

Схож с репликацией процесс транскрипции: при нем на матрице ДНК синтезируется по принципу комприментарности РНК с определенной последовательностью. Только вместо тимина положение, комплементарное аденину матрицы, занимает уроцил. Репликация и транскрипция осуществляются при участии определенных ферментов.

Функция ДНК – сохранение, воспроизведение и передача наследственной информации. В структуре ДНК закодировано строение белков. Этот код воспроизводится при посредничестве иРНК. Также в ДНК закодирована структура других типов РНК, не кодирующих напрямую структуру белка, но принимающих участие в его синтезе (тРНК, рРНК).

Единицей наследственности всех организмов является ген – участок молекулы ДНК (у некоторых вирусов – РНК), который несет наследственную информацию о структуре определенного белка или нуклеиновой кислоты. Один ген кодирует одну полипептидной цепи белка либо одну молекулу РНК. Совокупность генетической информации, закодированной в генах определенной клетки или целостного организма, называется геномом. Это интегрированная система, в которой отдельные гены взаимодействуют между собой.

Количество генов у различных организмов значительно колеблется. В целом, чем более сложно организован организм, тем больше генов в его клетках. Однако далеко не вся ДНК в клетках несет генетическую информацию. В некоторых случаях неинформационные (некодирующие) участки молекулы ДНК могут составлять 80–90 %, тогда как кодирующие структуру белков или РНК – только 10–20 %. Функции некодирующих участков изучены недостаточно. Лишь для некоторых из них установлена регуляторная или структурная функция (учувствуют в компактизации ДНК, движении хромосом и т. д.).

Фрагменты ДНК могут перемещаться из одного участка молекулы в другой, изменяя тем самым функции определенных генов. В частности этот процесс происходит в иммунных клетках человека, благодаря чему они способны образовывать антитела специфичные к определенным антигенам.

Поврежденные молекулы ДНК способны к восстановлению при помощи определенных ферментов, этот процесс называется репарацией. Но система репарации полностью справляется со своей задачей далеко не всегда, в результате чего возникают изменения генома – мутации, служащие источником наследственной изменчивости.

IV. Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) по своему составу является нуклеотидом. Молекула АТФ состоит из остатков азотистого основания (аденина), пентозы (рибозы) и трех остатков фосфорной кислоты. АТФ имеет необычные для других органических соединений химические связи и свойства. Это две высокоэнергетические (макроэргические) химические связи между последовательно расположенными остатками фосфорной кислоты, в которых запасено значительное количество энергии. Если при участии соответствующего фермента отщепляется один остаток фосфорной кислоты, то АТФ превращается в аденозиндифосфорную кислоту (АДФ), при этом освобождается около 40 кДж энергии. Если от полученной молекулы АДФ опять отщепляется остаток фосфорной кислоты, она превращается в аденозинмонофосфорную кислоту (АМФ), при этом выделяется еще около 40 кДж энергии. Соответственно, при присоединении каждого остатка фосфорной кислоты запасается примерно по 40 кДж энергии. Таким образом молекулы АТФ служат универсальным химическим аккумулятором энергии в клетках.

Энергия, которая высвобождается в процессе расщепления молекул АТФ, используется для синтеза необходимых организму соединений, поддержания определенной температуры тела, обеспечения других процессов жизнедеятельности. Реализуется этот процесс путем взаимодействия молекул АТФ с ферментами, для которых они служат активаторами.

V. Биологически активные вещества – это органические соединения разной химической природы, способные влиять на обмен веществ и превращения энергии в живых существах. Одни из них регулируют процессы

метаболизма, роста и развития организмов, другие служат средством влияния на особей своего или других видов. К биологически активным веществам относят ферменты, витамины, гормоны, нейрогормоны, факторы роста, фитогормоны, антибиотики и т. п.

1. Витамины – низкомолекулярные органические соединения различной химической природы, необходимые для обеспечения процессов жизнедеятельности всех живых организмов. Витамины участвуют в обмене веществ и превращении энергии в основном в качестве компонентов сложных ферментов. Суточная потребность человека в витаминах составляет миллиграммы, а иногда и микрограммы. Известно приблизительно 20 разных витаминов и витаминоподобных соединений.

Основной источник витаминов для человека – продукты питания. Некоторые витамины в незначительном количестве синтезируются в организмах человека и животных из веществ-предшественников – провитаминов (так, витамин D образуется в коже человека под воздействием ультрафиолетового облучения) или симбиотическими микроорганизмами (в частности, в кишечнике человека бактерии синтезируют витамины К, В₆, В₁₂).

Когда еще не были известны химическое строение и механизм действия витаминов, их помечали буквами латинского алфавита – А, В, С, D др. Теперь применяют и химические названия (например, витамин С акже называют аскорбиновой кислотой). Витамины делят на две группы: водорастворимые (группа В, С и др.) и жирорастворимые (А, D, К, Е).

При недостатке определенных витаминов, их полном отсутствии, а также избытке развиваются опасные для здоровья человека и животных заболевания. Например, при недостатке определенных витаминов в организме возникает гиповитаминоз, при их полном отсутствии – авитаминоз, а при избытке – гипервитаминоз (например, избыточное содержание витамина А в организме человека, превышающее норму в 20–30 раз, вызывает отравление). Явления гипо- и авитаминоза могут проявляться и в результате нарушения обмена веществ. Это так называемая вторичная витаминная недостаточность, связанная с невосприятием организмом определенных витаминов.

2. Гормоны – органические вещества, регулирующие процессы обмена веществ и превращений энергии в организме животных и человека. Их производят железы внутренней и секреции (эндокринные железы). Именно секреция в специфических анатомических образованиях отличает гормоны от других регуляторных веществ, которые секретируются отдельными клетками, не оформленными в виде желез. К последним относят, в частности, нейрогормоны – вещества синтезирующиеся в некоторых нервных клетках, и потом поступающие в кровь(например, вазопрессин и окситоцин синтезируются в клетках мозга, оттуда поступают в эндокринную железу гипофиз, а уже из нее – в кровоток). Механизмы действия различных гормонов и нерогоромнов очень сильно различаются, но их объединяет общая функция: регуляция жизнедеятельности на уровне всего организма. Под контролем гормонов и нейрогормонов происходят все этапы индивидуального развития человека и животных и все процессы их жизнедеятельности. Если определенные гормоны производятся в недостаточном количестве или не производятся вообще, наблюдают нарушения развития и обмена веществ разной степени тяжести. Избыточная выработка определенных гормонов также негативно влияет на организм. Так, при недостаточном образовании в организме ребенка гормона роста развивается карликовость,а при избыточном – гигантизм.

По сравнению с работой нервной системы, которая обеспечивает передачу сигналов на значительные расстояния за короткое время, действие гормонов отличается меньшей скоростью, но производит более длительный эффект. Характерные особенности действия гормонов и нейрогормонов: дистанционность, высокие биологическая активность и специфичность действия, короткое время существования.

3. Нейромедиаторы – биологически активные вещества, которые обеспечивают межклеточные взаимодействия в нервной системе. В частности, они участвуют в передаче нервного импульса между двумя нейронами или между нейроном и мышечной клеткой. Их производят нервные и рецепторные клетки. Молекулы медиатора выделяются в пространство синаптической щели. Роль медиаторов могут исполнять различные вещества: ацетилхолин, норадреналин, и др. Гормон адреналин также выполняет функцию нейромедиатора.

4. Факторы роста клетки – полипептиды, стимулирующие или подавляют деление, дифференциацию, подвижность, метаболизм, другие проявления жизнедеятельности и гибель клеток. В отличие от гормонов, факторы роста продуцируют неспециализированные клетки, которые можно встретить во всех тканях.

5. Фитогормоны – регуляторные вещества растений, аналогичные по функциям гормонам животных. Однако по химической природе не имеют с последними ничего общего, так как возникли в ходе эволюции совершенно независимо. В отличие от животных, растения не имеют специальных органов, синтезирующих гормоны; вместе с тем отмечается большая насыщенность гормонами некоторых органов по сравнению с другими. Так, ауксинами богаче всего верхушечные меристемы стебля, гиббереллинами — листья, цитокининами — корни и созревающие семена. Фитогормоны обладают широким спектром действия. Фитогормоны регулируют многие процессы жизнедеятельности растений: прорастание семян, рост, дифференциацию тканей и органов, цветение, созревание плодов и т. п. Образуясь в одном органе (или его части) растения, фитогормоны обычно транспортируются в другой (или его часть).

6. Фитонциды — образуемые растениями биологически активные вещества, убивающие или подавляющие рост и развитие бактерий, микроскопических грибов, простейших. Характерными представителями фитонцидов являются эфирные масла, извлекаемые из растительного сырья промышленными методами.

7. Феромооны – продукты внешней секреции, выделяемых некоторыми видами животных и растений обеспечивающих химическую коммуникацию между особями одного вида. Если гормоны обеспечивают регуляцию на организменном уровне организации, то феромоны – на популяционно-видовом.

Приведенный выше список разновидностей биологически активных веществ далеко не полон, кроме того взгляды различных авторов, на их классификацию очень сильно разнятся. Само определение биологически активных веществ не позволяет установить сколько-нибудь четкие рамки для круга относящихся к ним соединений.

Литература:

Балан П.Г. Биология: Учебн. для общеобразоват. учебн. заведений: уровень стандарта, академический уровень / П.Г.Балан, Ю.Г.Верес,В.П.АПолищук; пер. с укр. – к,:Генеза, 2010. С. 58 – 70.

Основы делопроизводства и документооборота: Учебно-метод. комплекс. Ростов н/Д: Изд-во ЮРИУ РАНХиГС, 2014. – 58 с.

Учебно-методический комплекс разработан в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ООП ВПО.

Предназначен для студентов факультета переподготовки кадров по направлению: 080200.62 «Менеджмент бакалавр».

Печатается по решению кафедры.

Протокол №1 от 30 августа 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Общие сведения о курсе …………………………………………………………………
Учебно-тематический план………………………………………………………………
Программа курса………………………………………………………………………….
Семинарские занятия……………………………………………………………………
Требования для подготовки к итоговой аттестации …………………………….
Вопросы к экзамену………………………………………………………………………
Темы рефератов………………………………….……………………………………….
Глоссарий………………………………………………………………………………….
Рекомендуемая литература……………………………………………………………….

Дата добавления: 2014-12-08